康少博，李鋼，朱圣華，張世清，梁以鋼

（1.鄭州機(jī)械研究所，河南 鄭州 450052；2.萊蕪天元?dú)怏w有限公司，山東 萊蕪 271100；3.武漢鋼鐵集團(tuán)氣體有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000）

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化及應(yīng)用

康少博1，李鋼1，朱圣華2，張世清3，梁以鋼3

（1.鄭州機(jī)械研究所，河南 鄭州 450052；2.萊蕪天元?dú)怏w有限公司，山東 萊蕪 271100；3.武漢鋼鐵集團(tuán)氣體有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000）

本文介紹了萊鋼和武鋼的進(jìn)口壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的國(guó)產(chǎn)化研制過程，最終通過對(duì)齒輪精度的嚴(yán)格控制和不同高速動(dòng)平衡手段，使整機(jī)的振動(dòng)保持在良好的水平。整個(gè)過程為相關(guān)進(jìn)口設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化提供了參考。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子；齒輪精度；高速動(dòng)平衡；振動(dòng)

0 引言

多軸式齒輪增速型離心壓縮機(jī)是鋼鐵、石油化工等企業(yè)生產(chǎn)中的核心關(guān)鍵設(shè)備，庫伯、德馬格、阿特拉斯、英格索蘭等知名的壓縮機(jī)制造廠家的產(chǎn)品特點(diǎn)是高效節(jié)能、設(shè)計(jì)優(yōu)良、技術(shù)含量高，是目前我國(guó)此類壓縮機(jī)使用的主導(dǎo)產(chǎn)品。一直以來，一旦壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)問題，用戶只能依賴進(jìn)口備件來滿足使用要求，但進(jìn)口備件不但工期長(zhǎng)，而且價(jià)格一直居高不下，國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)企業(yè)常常因?yàn)檫M(jìn)口壓縮機(jī)出現(xiàn)問題而處于非常被動(dòng)的地位。近年來，鄭州機(jī)械研究所對(duì)進(jìn)口壓縮機(jī)齒輪轉(zhuǎn)子的國(guó)產(chǎn)化開展了大量的研究工作，從2008年至今該所為國(guó)內(nèi)多個(gè)生產(chǎn)廠家成功修復(fù)多臺(tái)套進(jìn)口壓縮機(jī)，期間攻克了高精度“端面齒”的研制、高速柔性轉(zhuǎn)子齒輪的生產(chǎn)研制以及轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等技術(shù)難題，填補(bǔ)了該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)的空白。本文介紹比較有代表性的空壓機(jī)轉(zhuǎn)子和氮壓機(jī)轉(zhuǎn)子的國(guó)產(chǎn)化研制過程。

圖1 空壓機(jī)概圖

1 壓縮機(jī)主要特征和技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)特征

萊鋼8#制氧空壓機(jī)是該公司2.2萬Nm3/小時(shí)空分機(jī)組的核心設(shè)備，其概況見圖1。武鋼空壓機(jī)是該公司1萬Nm3/小時(shí)空分機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備，F(xiàn)臺(tái)氮壓機(jī)是該公司3萬Nm3/小時(shí)空分機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2。三種壓縮機(jī)都是典型的H型結(jié)構(gòu)離心式壓縮機(jī)組，機(jī)組將壓縮機(jī)與增速箱合成一體，大齒輪裝在驅(qū)動(dòng)軸上驅(qū)動(dòng)兩側(cè)高速齒輪轉(zhuǎn)子，葉輪分別裝在高速齒輪轉(zhuǎn)子兩端，氣體經(jīng)過多級(jí)葉輪壓縮排出。其中萊鋼空壓機(jī)為三級(jí)葉輪壓縮，武鋼空壓機(jī)和氮壓機(jī)為四級(jí)葉輪壓縮。該形式壓縮機(jī)具有氣量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但由于高速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高而對(duì)齒輪精度要求很高，同時(shí)對(duì)齒輪轉(zhuǎn)子與葉輪聯(lián)接型式的加工精度以及動(dòng)平衡精度要求極高。

圖2 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 技術(shù)參數(shù)及要求

武鋼VK-63型透平空壓機(jī)參數(shù)：

電機(jī)功率6000 kW

輸入轉(zhuǎn)速：1000 r/min

輸出轉(zhuǎn)速：1-2級(jí)轉(zhuǎn)子6391 r/min ，3-4級(jí)轉(zhuǎn)子7946 r/min

吸入流量56000 Nm3/h

吸入壓力94.4 kPa

排出壓力0.54 MPa

萊鋼8#制氧空壓機(jī)參數(shù)：

電機(jī)功率：9900 kW

輸入轉(zhuǎn)速：1500 r/min

輸出轉(zhuǎn)速：1-2級(jí)轉(zhuǎn)子8925 r/min ，3級(jí)轉(zhuǎn)子12750 r/min

吸入流量127801 Nm3/h

絕對(duì)壓力：6.15 bar

武鋼F臺(tái)氮壓機(jī)參數(shù)：

電機(jī)功率：2560 kW

輸入轉(zhuǎn)速：1490 r/min

輸出轉(zhuǎn)速：1-2級(jí)轉(zhuǎn)子17810 r/min ，3-4級(jí)轉(zhuǎn)子 21370 r/min ；

吸入流量22000 Nm3/h 吸入壓力105 kPa 18℃

派出壓力1693 kPa

吸入溫度 41℃

2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)繪設(shè)計(jì)和制造

2.1 箱體及轉(zhuǎn)子測(cè)繪

中心距是齒輪箱傳動(dòng)重要參數(shù)，首先對(duì)壓縮機(jī)箱蓋進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量，精確測(cè)出各級(jí)轉(zhuǎn)子齒輪副中心距。對(duì)齒輪副進(jìn)行測(cè)繪檢測(cè)，確定模數(shù)、齒數(shù)、壓力角、螺旋角等重要參數(shù)。根據(jù)所測(cè)中心距和齒輪相關(guān)參數(shù)進(jìn)行逆向分析，確定各齒輪的準(zhǔn)確參數(shù)[1]。然后對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行精確的幾何尺寸測(cè)繪。

2.2 葉輪與轉(zhuǎn)子聯(lián)接方式

（1）武鋼VK-63型空壓機(jī)葉輪與轉(zhuǎn)子聯(lián)接是常見的圓柱過盈聯(lián)接；（2）武鋼F臺(tái)氮壓機(jī)葉輪與轉(zhuǎn)子聯(lián)接方式為圓柱過盈聯(lián)接和圓錐過盈聯(lián)接；（3）萊鋼空壓機(jī)葉輪與轉(zhuǎn)子聯(lián)接方式是端面齒聯(lián)接。前兩種聯(lián)接型式較為常見，端面齒聯(lián)接是一種新型的聯(lián)接方式，見圖3。端面齒優(yōu)點(diǎn)是對(duì)中精度高，屬高強(qiáng)度聯(lián)接，拆卸方便，重復(fù)使用精度高，使用壽命長(zhǎng)。近年來常被用于空壓機(jī)葉輪與轉(zhuǎn)子的聯(lián)接，但要求端面齒精度4級(jí)以上。對(duì)端面齒進(jìn)行測(cè)繪并計(jì)算[2]：

其中 α為齒根傾角，θ為齒型角，Z為端面齒齒數(shù)，S為節(jié)平面弦齒厚，h為理論全齒高，D為端面齒大端外圓直徑。計(jì)算后可根據(jù)平面弦齒厚S測(cè)量出端面齒齒頂高，為端面齒磨削加工提供精確的參數(shù)，從而保證轉(zhuǎn)子與葉輪聯(lián)接的軸向尺寸。

2.3 轉(zhuǎn)子齒輪的材料、工藝及強(qiáng)度校核

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒輪轉(zhuǎn)速高，其中空壓機(jī)轉(zhuǎn)子齒輪節(jié)圓線速度達(dá)到144 m/s,對(duì)可靠性要求很高。因此 高速轉(zhuǎn)子齒輪采用18CrNiMo7-6優(yōu)質(zhì)合金鋼，低速齒輪采用34CrNi3MoA優(yōu)質(zhì)合金鋼，化學(xué)成分和力學(xué)性能符合JB/T 6395-2010《大型齒輪、齒圈鍛件 技術(shù)要求》中相關(guān)材料的規(guī)定，熱處理采用滲碳淬火工藝，熱處理檢驗(yàn)要求符合GB/T 8539-2000《齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定》中ME級(jí)要求，齒輪磨齒加工，精度達(dá)到5級(jí)（GB10095-2008）以上。對(duì)于更高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，要求齒輪4級(jí)以上精度。對(duì)齒輪強(qiáng)度校核計(jì)算，保證齒輪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 端面齒示意圖

2.4 轉(zhuǎn)子齒輪的加工精度

齒形公差和齒距極限偏差影響齒輪運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，齒向公差影響齒輪載荷分布的均勻性，齒距累積公差和齒圈徑跳公差影響齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。保證齒輪精度5級(jí)，必須所有檢測(cè)項(xiàng)目都達(dá)到5級(jí)以上，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子齒輪最終精度見表1、表2[3]。與此同時(shí)，齒輪應(yīng)進(jìn)行齒形和齒向修形，尤其是高速轉(zhuǎn)子齒輪要進(jìn)行精密的彈性變形和熱變形修形。

3 轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡[4]

動(dòng)平衡對(duì)于高速齒輪來說是必不可少的，低速轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)速不高，可以只進(jìn)行低速動(dòng)平衡，高速轉(zhuǎn)子除了低速動(dòng)平衡之外，還要進(jìn)行高速動(dòng)平衡。高速轉(zhuǎn)子軸系在低速動(dòng)平衡時(shí)，每個(gè)零件都要進(jìn)行單獨(dú)平衡，組裝后再次低速平衡，從而可以減少各個(gè)零件之間的相互影響。

萊鋼空壓機(jī)轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速12580 r/min，可以做離線高速動(dòng)平衡。武鋼氮壓機(jī)轉(zhuǎn)子由于國(guó)內(nèi)高速動(dòng)平衡設(shè)備條件限制，不能做離線高速動(dòng)平衡，安裝好后試車時(shí)發(fā)現(xiàn)所有4級(jí)葉輪處的軸振動(dòng)均超標(biāo)。通過對(duì)氮壓機(jī)動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，決定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。根據(jù)氮壓機(jī)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，各級(jí)葉輪組件均屬于撓性轉(zhuǎn)子，需按照撓性轉(zhuǎn)子平衡方法進(jìn)行高速動(dòng)平衡。最終采用兩套VMS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高速轉(zhuǎn)子實(shí)施了高速動(dòng)平衡，取得顯著減振效果，各級(jí)葉輪處的軸振動(dòng)值均低于報(bào)警值，且有較大余量。

表1 空壓機(jī)齒輪終檢精度表 μ m

表2 氮壓機(jī)齒輪終檢精度表 μ m

4 現(xiàn)場(chǎng)開車與振動(dòng)

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化后在現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，最終機(jī)組自帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，數(shù)據(jù)如表3所示，所有振動(dòng)指標(biāo)均小于報(bào)警值，完全可以滿足使用需要。并與機(jī)組原正常使用狀態(tài)的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比，壓縮機(jī)目前的振動(dòng)狀態(tài)達(dá)到甚至優(yōu)于當(dāng)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)。

表3 各測(cè)點(diǎn)實(shí)際振動(dòng)值

5 結(jié)論

目前空壓機(jī)、氮壓機(jī)均已經(jīng)投入使用，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。通過對(duì)齒輪精度嚴(yán)格控制和不同高速動(dòng)平衡的手段解決了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化的問題，是大型進(jìn)口機(jī)組核心零部件國(guó)產(chǎn)化的成功案例，為以后相關(guān)進(jìn)口設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化提供了參考，有值得推廣的意義。

[1]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第四版，第三卷: 化學(xué)工業(yè)出版社，2003:14,25～34．

[2]JB/T 4316.1-1999．直齒端齒盤 系列參數(shù)和尺寸．機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1999:10～11．

[3]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第四版，第三卷: 化學(xué)工業(yè)出版社，2003:14,56～78.

[4]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第四版，第一卷：化學(xué)工業(yè)出版社，2003:1-606～1-612．

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1671-0711（2016）10（上）-0138-03